JP7059997B2

JP7059997B2 - 炭素繊維撚糸装置

Info

Publication number: JP7059997B2
Application number: JP2019189107A
Authority: JP
Inventors: 徹佐伯; 勝治奥田; 一郎樽谷; 文太吉住; 匠昭奥田; 孝志満津
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: JP2021063319A

Description

本明細書は、炭素繊維撚糸装置を開示する。

従来、二次電池としては、例えば、負極活物質としての炭素材料の柱状体である負極と、負極に接続される負極集電体と、正極活物質を有する正極と、正極に接続される正極集電体と、イオン伝導性を有し負極と正極とを絶縁する分離膜と、を備え、分離膜を介して正極と隣り合う状態で複数の負極が結束された構造を有するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この二次電池では、柱状体を結束した構造によって、出力特性をより向上することができる。また、紙などのテープ状物を捲回した原反ロールから繰り出したテープ状物を撚りガイドローラ及びテープ撚り手段とを介して筒状に撚り、撚り戻し防止剤塗布装置を備えた筒状撚糸製造装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この装置では、筒状の撚糸物を得ることができる。

特開２０１９－７５１９８号公報特開２０１０－２３６１５４号公報

ところで、特許文献１の二次電池では、原料の炭素及び結着材を混合し、押出成形で成形したのち熱処理を行って直径５０μｍ～３００μｍの炭素柱状体を得ている。しかしながら、このような炭素柱状体では、柔軟性を示すものが好ましい場合があり、他の形態の炭素柱状体を製造する新規な装置が求められていた。また、引用文献２の撚糸装置では、テープ状の紙を撚り合わせるものであり、炭素繊維を撚り合わせることは考慮されていなかった。

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、炭素繊維を撚り合わせてその直径を制御することができる新規な炭素繊維撚糸装置を提供することを主目的とする。

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、柔軟性を有する複数の炭素繊維を送り出す供給部と炭素繊維を支持すると共に送り出す支持送部とを撚糸方向に回転させ、筐体に固定され回転しない支持送部とを備えるものとすれば、炭素繊維を撚り合わせるのに好適であり、更に支持送部の間に塗布部と乾燥部とを設けて粘性流体を炭素繊維束に形成すると撚糸された炭素繊維束がより確実に固定されることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。

即ち、本明細書で開示する炭素繊維撚糸装置は、
複数の炭素繊維を送出方向に送出し該送出方向を軸方向とする撚糸方向に回転可能な供給部と、
前記撚糸方向に回転すると共に前記送出方向に連続的又は断続的に前記炭素繊維を送出するよう該炭素繊維を支持する第１支持送部と、
前記第１支持送部の下流側に配設され前記撚糸された炭素繊維束を前記撚糸方向に回転させずに前記送出方向に連続的又は断続的に送出するよう該炭素繊維束を支持する第２支持送部と、
前記第１支持送部の下流側に配設され前記撚糸された炭素繊維束に粘性流体を形成する塗布部と、
前記炭素繊維束に形成された粘性流体を乾燥する乾燥部と、
を備えたものである。

本開示の炭素繊維撚糸装置は、供給部と第１支持送部とを撚糸方向に回転させることにより、第１支持送部と第２支持送部との間で複数の炭素繊維を撚り合わせ、この撚り合わされた炭素繊維束に粘性流体を形成して乾燥させる。一般に、炭素繊維束をまとめて撚糸した場合、撚糸した炭素繊維束は両端を固定しないと撚糸がほどける。このため、適切に撚糸した炭素繊維束の撚糸度が変わらない固定化法が切望されており、そのような構造を有する装置は存在しなかった。本装置によると、炭素繊維を送り出す供給部とその下流の第１支持送部とがともに撚糸方向に回転することにより、その下流の撚糸方向には回転しない第２支持送部との間で炭素繊維束の撚糸度を制御できる。撚糸度が制御された炭素繊維束は、第２支持送部との間に設けられた、塗布部と乾燥部とを通過する際に、粘性流体が塗布、乾燥され、固定化されるので撚糸がほどけることを防止できる。この炭素繊維撚糸装置は、柔軟性を有する炭素繊維を撚り合わせて固定化することができるため、直径を制御した炭素繊維束を容易に製造することができる。

炭素繊維撚糸装置１０の一例を示す斜視図。炭素繊維撚糸装置１０の側面図及び正面図。二次電池構造体１４の一例を示す説明図。供給部２０及び第１支持送部３０の一例を示す説明図。中間支持送部５０及び塗布部６０の一例を示す説明図。乾燥部７０の一例を示す説明図。巻取り部８０一例を示す説明図。炭素繊維束の外観写真及び断面写真。

本実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、炭素繊維撚糸装置１０の一例を示す斜視図である。図２は、炭素繊維撚糸装置１０の側面図（図２Ａ）及び正面図（図２Ｂ）である。図３は、二次電池構造体１４の一例を示す説明図である。図４は、供給部２０及び第１支持送部３０の一例を示す説明図であり、図４Ａが正面図、図４Ｂが第１支持送部３０の斜視図、図３Ｃが第１支持ローラ３１の説明図である。図５は、中間支持送部５０及び塗布部６０の一例を示す説明図であり、図５Ａが正面図、図５Ｂがノズルブロック６１の外観図、図５Ｃがノズルブロック６１の断面図である。図６は、乾燥部７０の一例を示す説明図である。図７は、巻取り部８０一例を示す説明図であり、図７Ａが巻取り部８０の斜視図、図７Ｂが巻取りローラ８１及びホイール８７の斜視図、図７Ｃが巻取り部８０の説明図、図７Ｄが軸支固定部８３の説明図、図７Ｅがホイール８７を取り外す説明図である。炭素繊維撚糸装置１０は、図１、２に示すように、シート状に平たく配列され捲回された多数の炭素繊維Ｃを送出方向Ａに引き出し、撚糸方向Ｒに撚糸して太い炭素繊維束Ｂを作製する装置である。炭素繊維撚糸装置１０は、制御部１９と、供給部２０と、第１支持送部３０と、第２支持送部４０と、中間支持送部５０と、塗布部６０と、乾燥部７０と、巻取り部８０とを備えている。この炭素繊維束Ｂは、例えば、図３に示すように、二次電池の負極活物質として用いることができる。ここで、炭素繊維撚糸装置１０の上下、左右、前後方向は、図１，２に示したものを一例とし、送出方向Ａは下方向、撚糸方向Ｒは上下方向を軸とした回転方向として説明する。

ここで、炭素繊維撚糸装置１０により製造された炭素繊維束Ｂを利用した製造物について説明する。炭素繊維撚糸装置１０の製造物である炭素繊維束Ｂは、図３に示すように、二次電池１５の負極１６に用いられる。二次電池１５は、柱状の負極１６の表面に絶縁性及びイオン伝導性を有する分離膜１７が形成され、更に分離膜１７の表面に正極１８が形成された構造を有する。また、二次電池構造体１４は、複数の二次電池１５を結束した構造を有している。更に、炭素繊維束Ｂは、撚糸された状態で結着材により固定化されたものとしてもよい。この二次電池構造体１４では、柱状の炭素繊維束Ｂを負極１６として用いるため、外周側からイオンの吸蔵放出を行うことができ、平板状の積層電極に比して応答速度やエネルギー密度に優れ、出力特性を向上することができる。炭素繊維Ｃは、例えば、長さは任意であり、その直径ｄは、例えば、５μｍ以上１００μｍ以下の範囲であるものとしてもよい。炭素繊維の直径ｄが５μｍ以上ではより高い強度を確保することができ、１００μｍ以下では柔軟性をより確保することができる。この炭素繊維Ｃの直径ｄは、２０μｍ以下の範囲がより好ましい。炭素繊維束Ｂは、その直径Ｄ（μｍ）が３０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲であるものとしてもよい。直径Ｄが３０μｍ以上では、活物質量を確保することができ、１０００μｍ以下では電極中のイオン拡散抵抗の増加をより抑制でき、好ましい。この直径Ｄは、５０μｍ以上が好ましく、１００μｍ以上がより好ましい。また、直径Ｄは、６００μｍ以下が好ましく、５００μｍ以下がより好ましい。直径ｄや直径Ｄは、二次電池１５に求められる特性に応じて、経験的に適宜選択すればよい。

分離膜１７は、例えば、キャリア（例えばリチウムイオン）のイオン伝導性を有するものであり、固体電解質としてもよいし、ゲル電解質としてもよい。分離膜１７は、イオン伝導性と絶縁性とを有するポリマーが好適であり、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）や、ＰＶｄＦとヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）との共重合体、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、及びＰＭＭＡとアクリルポリマーとの共重合体などが挙げられる。炭素繊維束Ｂを固定化する結着材は、例えば、上記のＰＶｄＦや、ＰＶｄＦ－ＨＦＰ共重合体、ＰＭＭＡ、ＰＭＭＡ－アクリルポリマー共重合体のほか、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン－プロピレン－ジエンマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、天然ブチルゴム（ＮＢＲ）等を単独で、あるいは２種以上の混合物として用いることができる。正極１８は、例えば、一般的な二次電池（例えば、リチウムイオン二次電池など）に用いられる物質とすればよく、正極活物質と導電材と結着材とを含む正極合材としてもよい。導電材は、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラックなどの炭素質材料や、金属（銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など）などの１種又は２種以上を混合したものを用いることができる。結着材は、活物質粒子や導電材粒子を繋ぎ止めて所定の形状を保つ役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）などを用いることができる。正極活物質としては、例えば、アルカリ金属と遷移金属とを含む化合物、例えば、アルカリ金属と遷移金属元素とを含む酸化物や、アルカリ金属と遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。この二次電池１５は、例えば、その太さが０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲としてもよい。また、二次電池１５は、断面形状が多角形としてもよいし、円、楕円としてもよい。多角形としては、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形などが挙げられるが、六角形が好ましい。

制御部１９（図１参照）は、図示しないＣＰＵを中心とするコントローラとして構成されており、装置全体を制御する。この制御部１９は、供給部２０、塗布部６０、乾燥部７０、巻取り部８０などと電気的に接続されており、これらのユニットから信号を取得し、これらのユニットへ制御信号を出力する。この制御部１９は、各種処理プログラムや各ユニットの設定値などを記憶したフラッシュメモリーと、一時的にデータを記憶するＲＡＭと、を備えている。

供給部２０は、複数の炭素繊維Ｃを送出方向Ａに送出し送出方向Ａを軸方向とする撚糸方向Ｒに回転可能に構成されている。供給部２０は、図４に示すように、中央領域に空間を有する直方体骨格である第１筐体１１の上部に配設されている。この供給部２０は、供給ローラ２１と、ローラ支持部２２と、回転駆動部２３と、支持部材２４とを備えている。供給ローラ２１には、長尺の炭素繊維Ｃがシート状に配列されて捲回されている。この供給ローラ２１には、所定の回転制動が付与されており、巻取り部８０による炭素繊維束Ｂの巻取りに追従して回転するようになっている。ローラ支持部２２は、供給ローラ２１を水平方向を回転軸として回転可能に軸支すると共に、それ自体が垂直方向を回転軸として回転可能に第１筐体１１の天板１３に回転可能に軸支されている。このローラ支持部２２は、天板１３の中央に回転可能に吊り下げられている。また、ローラ支持部２２は、供給ローラ２１を取り外し可能に支持しており、炭素繊維Ｃが消費されると使用済みの供給ローラ２１が取り外され、新たな供給ローラ２１が取り付けられる。回転駆動部２３は、ローラ支持部２２に接続されローラ支持部２２を回転駆動するモータである。回転駆動部２３は、炭素繊維Ｃの撚糸度に合わせた電力が制御部１９から供給され、回転駆動される。この回転駆動部２３の駆動力によって、供給ローラ２１、ローラ支持部２２、支持部材２４及び第１支持送部３０が一体となって撚糸方向Ｒに回転する。撚糸方向Ｒへの回転速度は、例えば、０ｒｐｍ～３００ｒｐｍなどの範囲にすることができる。また、炭素繊維束Ｂの単位長さを１０ｃｍとしたときの、単位長さあたりの巻き回数を撚糸度と規定した場合、この撚糸度は、１０回／１０ｃｍ以上２０回／１０ｃｍ以下の範囲とすることが好ましい。撚糸度は、送出速度と巻取り速度との関係で調節することができることから、用いる炭素繊維の特性に応じて最適となる回転速度、送出速度及び巻取り速度を設定すればよい。支持部材２４は、ローラ支持部２２の側面に配設されたステーに固定されたＵ字状の部材であり、その下端中央に第１支持送部３０が配設されている。支持部材２４は、供給ローラ２１の横幅及び炭素繊維Ｃの柔軟性などに合わせて供給ローラ２１と第１支持送部３０との間の距離を変更可能になるよう上記ステーに配設されている。

第１支持送部３０は、撚糸方向Ｒに回転すると共に送出方向Ａに連続的に炭素繊維Ｃを送出するよう、この炭素繊維Ｃを支持するものである。この第１支持送部３０は、供給部２０に配設された支持部材２４に固定されており、供給部２０と一体で撚糸方向Ｒに回転する。この第１支持送部３０は、第１支持ローラ３１と、第１スライド部３６，３７とを有する。第１支持ローラ３１は、送出方向Ａに回転すると共に、撚糸方向Ｒ方向に回転しないように炭素繊維Ｃを挟持するものである。第１支持ローラ３１は、凸ローラ３２と凹ローラ３３との１対のローラからなる。凸ローラ３２は、図４Ｂに示すように、回転軸３４の中央に固定されており、回転軸３４は第１スライド部３６の先端に回転可能に軸支されている。凹ローラ３３は、回転軸３５の中央に固定されており、回転軸３５は第１スライド部３７の先端に回転可能に軸支されている。凸ローラ３２は外周面の中央が凸状に形成されたローラであり、凹ローラ３３は外周面の中央が凹状に形成されたローラである。凸ローラ３２の凸部に１つのゴムリングがはめ込まれ、凹ローラ３３の凹部に２つのゴムリングがはめ込まれており、このゴムリングの間を連続的に炭素繊維Ｃが通過する。第１スライド部３６，３７は、第１支持ローラ３１の凸ローラ３２及び凹ローラ３３を回転可能に軸支し、炭素繊維束Ｂを挟持する挟持位置と炭素繊維束Ｂの挟持を開放する開放位置との間でこれを移動させる。第１スライド部３６，３７は、図示しない固定具によって支持部材２４に固定されており、凸ローラ３２及び凹ローラ３３の軸間距離を調整して炭素繊維束Ｂのグリップ力を調整可能になっている。なお、第１スライド部３６，３７は、図示しないバネなどの弾性体によって凸ローラ３２及び凹ローラ３３が近接する方向に付勢され、固定具を解除すると、凸ローラ３２及び凹ローラ３３が離間可能になるよう構成してもよい。あるいは、第１スライド部３６，３７は、モータなどの駆動力により凸ローラ３２及び凹ローラ３３を近接離間するものとしてもよい。

第２支持送部４０は、図１、２に示すように、第１支持送部３０の下流側である、乾燥部７０と巻取り部８０との間に配設され、撚糸方向Ｒに炭素繊維束Ｂを回転させずに送出方向Ａに連続的に炭素繊維束Ｂを送出するよう炭素繊維束Ｂを支持するものである。第２支持送部４０は、第１筐体１１とは別体の第２筐体１２に固定されている。この第２支持送部４０は、図２Ｂに示すように、送出方向Ａに回転し炭素繊維束Ｂを挟持する第２支持ローラ４１と、第２支持ローラ４１を回転可能に軸支し挟持位置と開放位置との間で移動させる第２スライド部４２とを有する。なお、ここでは、第２支持ローラ４１及び第２スライド部４２は、移動しない第２筐体１２に固定されている以外は、第１支持ローラ３１及び第１スライド部３６，３７と同様の構成を有するものとしてその具体的な説明を省略する。

中間支持送部５０は、図５に示すように、第１支持送部３０と第２支持送部４０との間であり、特に第１支持送部３０と塗布部６０との間に配設され、撚糸方向Ｒには炭素繊維束Ｂを回転させずに送出方向Ａに連続的に送出するよう炭素繊維束Ｂを支持するものである。中間支持送部５０は、第１筐体１１とは別体の第２筐体１２に固定されている。この中間支持送部５０は、送出方向Ａに回転し炭素繊維束Ｂを挟持する中間支持ローラ５１と、中間支持ローラ５１を回転可能に軸支し挟持位置と開放位置との間で移動させる中間スライド部５２とを有する。なお、ここでは、中間支持ローラ５１及中間スライド部５２は、移動しない第２筐体１２に固定されている以外は、第１支持ローラ３１及び第１スライド部３６，３７と同様の構成を有するものとしてその具体的な説明を省略する。

塗布部６０は、第１支持送部３０の下流側に配設され撚糸された炭素繊維束Ｂに粘性流体を形成するものである。粘性流体としては、例えば、炭素繊維Ｃを結着する結着材や、蓄電デバイスのキャリアイオンのイオン伝導性及び絶縁性を有する分離膜となる樹脂などが挙げられる。この結着材や樹脂は、例えば、水系溶媒や有機溶媒に溶解したものとしてもよい。有機溶媒としては、例えば、Ｎ－メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどを用いることができる。炭素繊維撚糸装置１０は、この塗布部６０や乾燥部７０を複数有し、複数種の粘性流体を炭素繊維束Ｂに形成するものとしてもよい。例えば、第１塗布部が結着材となる樹脂を炭素繊維束Ｂの内部に浸透させ第１乾燥部がこれを乾燥し、第２塗布部が分離膜となる樹脂を炭素繊維束Ｂの外表面に形成し第２乾燥部がこれを乾燥したあと、第３塗布部が電極活物質を含む電極合材の粘性流体をこの分離膜の表面に形成し、第３乾燥部がこれを乾燥し、電極合材層を更に形成するものとしてもよい。ここでは、説明の便宜のため、炭素繊維撚糸装置１０は、結着材を形成する塗布部６０及び乾燥部７０のみを備えたものとして説明する。この塗布部６０は、図５に示すように、ノズルブロック６１を備える。ノズルブロック６１は、導入孔６２と、シリンジ６４と、吐出孔６５と、通過孔６６と、プレート６７とを有している。導入孔６２は、炭素繊維束Ｂを導入するテーパ面６３を有する孔であり、ノズルブロック６１の上面に形成されている。この導入孔６２は、比較的大きな体積を有しており、シリンジ６４から過剰に供給された粘性流体が通過孔６６から漏れ出ないよう収容されるバッファとして機能する。シリンジ６４は、図示しないチューブが接続されており、チューブを介して供給された粘性流体を吐出口から炭素繊維束Ｂの外周面へ供給するものである。このシリンジ６４は、ノズルブロック６１の外周の４箇所に配設されており、４方向から粘性流体を炭素繊維束Ｂへ供給する。粘性流体の供給速度は、例えば、０．０５ｍＬ／分以上５０ｍＬ／分の範囲とすることができる。吐出孔６５は、粘性流体を炭素繊維束Ｂの外周面へ吐出する孔である。この吐出孔６５は、炭素繊維束Ｂの送出方向Ａに対して垂直よりも鋭角側に傾斜して配設されることが好ましい。通過孔６６は、粘性流体を形成した炭素繊維束Ｂが送出される孔であり、取り外し可能なプレート６７に形成されている。この通過孔６６は、導入孔６２と逆のテーパ面を有しているものとしてもよい。通過孔６６の直径は、炭素繊維束Ｂの直径にも依存するが、例えば、０．２５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲としてもよい。ノズルブロック６１の中央には、上下に貫通した導入孔６２及び通過孔６６が形成されており、炭素繊維束Ｂが供給部２０から巻取り部８０へ通過することができる。なお、導入孔６２及び通過孔６６の最も小さい直径は、炭素繊維束Ｂの直径に所定のマージンを加えた値に設計されるものとしてもよい。このノズルブロック６１では、取り外し可能なプレート６７を交換することによって、通過孔６６の形状や大きさを簡便に変更可能である。例えば、炭素繊維束Ｂの表面に分離膜を形成する塗布部６０では、この通過孔６６は、炭素繊維束Ｂの直径に分離膜の厚さと所定のマージンを加えた値に設計すればよい。また、分離膜が形成された炭素繊維束Ｂの表面に電極合材層を形成する塗布部６０では、この通過孔６６は、炭素繊維束Ｂの直径に分離膜の厚さと電極合材層の厚さと更に所定のマージンを加えた値に設計すればよい。

乾燥部７０は、炭素繊維束Ｂに形成された粘性流体を乾燥するものである。この乾燥部７０は、図６に示すように、エアヒータ７１，７３と、温度測定部７２，７４と、エア冷却部７５と、カバー部材７６とを備えている。この乾燥部７０では、エアヒータと温度測定部との組み合わせを２組有している。エアヒータ７１は、炭素繊維束Ｂの送出方向Ａに向かって傾斜して配設され加熱ガスとしての加熱エアを炭素繊維束Ｂへ吐出するものである。なお、エアヒータ７１，７３の加熱ガスの吐出方向は、送出方向Ａに対して垂直よりも鋭角であることが好ましい。乾燥部７０では、１対のエアヒータ７１が左右あるいは前後方向に配設されており、この１対のエアヒータ７１から加熱エアが供給され、炭素繊維束Ｂ上の粘性流体を固化するか、粘性流体に含まれる溶媒を気化させ除去する。加熱エアの流量や加熱温度などは、乾燥される炭素繊維束Ｂ及び粘性流体の種別や量などに依存するため、これらに合わせて適宜好適な値を経験的に設定すればよい。温度測定部７２は、炭素繊維束Ｂの温度を測定するものであり、例えば、熱電対としてもよい。温度測定部７２は、エアヒータ７１が加熱エアを供給するすぐ下流側であって、送出方向Ａに移動する炭素繊維束Ｂの近傍を測定する位置に配設されている。この温度測定部７２は、炭素繊維束Ｂの近傍の温度を測定することにより、炭素繊維束Ｂの温度を間接的に取得する。なお、温度測定部７２は、炭素繊維束Ｂに直接接触するか、又は非接触式のサーモセンサなどにより、その温度を直接測定するものとしてもよい。エアヒータ７３は、エアヒータ７１と同様の構成を有し、エアヒータ７１の下流側に配設されている。エアヒータ７３は、エアヒータ７１よりも高い温度の加熱エアを炭素繊維束Ｂへ供給するものとしてもよい。こうすれば、炭素繊維束Ｂを加熱しやすく好ましい。温度測定部７４は、温度測定部７２と同様の構成を有し、温度測定部７２の下流側に配設されている。エアヒータ７３及び温度測定部７４は、エアヒータ７１及び温度測定部７２と同様の構成であるものとしてその説明を省略する。制御部１９は、温度測定部７２，７４の測定値を取得し、実測値が設定値に合うように、エアヒータ７１，７３の加熱エアの温度や流量などを制御する。エア冷却部７５は、冷却用のエアを加熱後の炭素繊維束Ｂへ供給するものであり、冷却ノズルを有している。カバー部材７６は、炭素繊維束Ｂが通過する通過空間を有する構造体である。カバー部材７６には、上流側からエアヒータ７１、温度測定部７２、エアヒータ７３及び温度測定部７４が固定されており、これらが通過空間内に加熱エアを供給し、その温度を測定する。

巻取り部８０は、乾燥部７０で加熱冷却された炭素繊維束Ｂを巻き取るものである。巻取り部８０は、図７に示すように、巻取りローラ８１と、軸支固定部８３と、支持板８４と、固定部材８５と、揺動部８６と、ホイール８７と、巻取り駆動部８８と、揺動駆動部８９とを備えている。巻取りローラ８１は、作製された炭素繊維束Ｂを巻き取るローラであり、巻き取り軸８２を中心軸として回転するよう構成されている。この巻取りローラ８１では、巻き取り軸８２が軸支固定部８３に軸支されている。この巻取りローラ８１は、炭素繊維Ｃ自体も含め、炭素繊維束Ｂに形成された分離膜や電極合材層に不具合が生じないよう、比較的大きな直径を有しているものとしてもよい。なお、図１、２、７には、分離膜、電極合材層が形成されたあとの炭素繊維束Ｂを巻き取る巻取りローラ８１を一例として示した。例えば、炭素繊維束Ｂを結着材で固定化したものであれば、供給ローラ２１と同様に比較的小さい直径の巻取りローラ８１としてもよい。また、巻取りローラ８１は、装置全体での炭素繊維Ｃ及び炭素繊維束Ｂの処理にかかる時間などに合わせた回転速度で、巻取り駆動部８８により回転駆動される。炭素繊維束Ｂの巻取り速度は、例えば、２０ｍ／分以下としてもよい。軸支固定部８３は、巻取りローラ８１を取り外し可能に軸支する部材である。この軸支固定部８３は、巻取りローラ８１から外部に突出した巻き取り軸８２を軸支する部材であり、支持板８４と固定部材８５とを有する。支持板８４は、巻取りローラ８１の両側に配設される板状の部材である。支持板８４には、巻き取り軸８２が収容される切り欠きが形成されており、固定部材８５を固定することにより、巻き取り軸８２が取り外し不可の状態で支持板８４に軸支される。作業者は、支持板８４に固定された固定部材８５を取り外すことによって、巻取りローラ８１を巻取り部８０から取り外すことができる（図７Ｅ参照）。支持板８４には、回転可能な複数のローラフォロアが配設されており、このローラフォロアが巻き取り軸８２に接触してこれを軸支する。固定部材８５にもローラフォロアが配設されている。巻取り駆動部８８は、巻取りローラ８１を回転駆動するモータであり、ギアを介して巻き取り軸８２と接続される。揺動部８６は、巻取りローラ８１の回転軸に沿った方向に巻取りローラ８１を揺動させるものである。この揺動部８６は、巻取りローラ８１、軸支固定部８３、ホイール８７及び巻取り駆動部８８の全体を揺動する（図７Ｃ参照）。炭素繊維束Ｂは、この揺動部８６により、巻取りローラ８１の外周面に沿って均一で平らな状態となるよう巻取りローラ８１に巻き取られる。揺動部８６は、揺動駆動部８９によって、巻取りローラ８１の回転軸に沿った方向に揺動される。ホイール８７は、供給ローラ２１と同様のテンションを巻取りローラ８１にかけるためのギヤであり、巻取りローラ８１の側方に固定される。なお、巻取りローラ８１とホイール８７とは、取り外し可能であってもよいし、一体であってもよい。

第２支持送部４０、中間支持送部５０、塗布部６０、乾燥部７０及び巻取り部８０は、第１筐体１１の内側の空間内に配設され、中央領域に空間を有する直方体骨格である第２筐体１２の内部に配設されている。炭素繊維束Ｂを結束するためには、塗布部６０において炭素繊維束Ｂの周囲に同心状に均一に粘性流体を塗布、乾燥させることが有用である。一方、炭素繊維束Ｂを撚糸するための撚糸方向Ｒへの回転の振動が塗布部６０に伝わらないようにすることが好ましい。このため、炭素繊維撚糸装置１０では、供給部２０及び第１支持送部３０が第１筐体１１に配設され、第２支持送部４０、中間支持送部５０、塗布部６０、乾燥部７０及び巻取り部８０は第１筐体１１とは別の第２筐体１２に配設されている。

次に、このように構成された炭素繊維撚糸装置１０の動作について説明する。まず、供給部２０に炭素繊維Ｃが巻き取られている供給ローラ２１をセットし、炭素繊維Ｃを引き出し、その先端を巻取りローラ８１に固定する。次に、巻取り駆動部８８により巻取りローラ８１を回転駆動し、炭素繊維Ｃ及び炭素繊維束Ｂを送出方向Ａへ移動させると共に、回転駆動部２３により供給部２０及び第１支持送部３０を撚糸方向Ｒ方向に回転駆動し、第１支持送部３０と中間支持送部５０との間で炭素繊維束Ｂを撚糸する。撚糸された炭素繊維束Ｂは、中間支持送部５０及び第２支持送部４０によって撚糸された状態で支持され、塗布部６０及び乾燥部７０を連続的に通過する。このとき、塗布部６０で炭素繊維Ｃを結着する結着材の粘性流体が炭素繊維束Ｂ上に形成され、乾燥部７０で乾燥、冷却される。分離膜１７は樹脂であり、炭素繊維Ｃは柔軟性を有するため、巻取りローラ８１での巻き取りによって、破損などは生じない。また、炭素繊維束Ｂの撚糸状態が分離膜１７によって固定される。作製された分離膜１７が形成された炭素繊維束Ｂは、巻取りローラ８１から引き出され、正極１８が分離膜１７上に形成された状態で二次電池１５の長さに切断される。切断された二次電池１５は、所定本数がまとめられて、二次電池構造体１４にプレス成形される。

ここで、本実施形態の構成要素と本開示の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の供給部２０が本開示の供給部に相当し、第１支持送部３０が第１支持送部に相当し、第２支持送部４０が第２支持送部に相当し、中間支持送部５０が中間支持送部に相当し、塗布部６０が塗布部に相当し、乾燥部７０が乾燥部に相当し、巻取り部８０が巻取り部に相当する。また、炭素繊維Ｃが炭素繊維に相当し、炭素繊維束Ｂが炭素繊維束に相当し、送出方向Ａが送出方向に相当し、撚糸方向Ｒが撚糸方向に相当する。また、支持部材２４が支持部材に相当し、第１支持ローラ３１が第１支持ローラに相当し、第１スライド部３６，３７が第１スライド部に相当し、第２支持ローラ４１が第２支持ローラに相当し、第２スライド部４２が第２スライド部に相当し、中間支持ローラ５１が中間支持ローラに相当し、中間スライド部５２が中間スライド部に相当する。また、テーパ面６３がテーパ面に相当し、導入孔６２が導入孔に相当し、吐出孔６５が吐出孔に相当し、通過孔６６が通過孔に相当し、ノズルブロック６１がノズルブロックに相当する。また、加熱エアが加熱ガスに相当し、エアヒータ７１，７３がガスヒータに相当し、温度測定部７２，７４が温度測定部に相当し、巻取りローラ８１が巻取りローラに相当し、軸支固定部８３が軸支固定部に相当し、揺動部８６が揺動部に相当する。

以上説明した炭素繊維撚糸装置１０は、供給部２０と第１支持送部３０とを撚糸方向Ｒに回転させることにより、第１支持送部３０と第２支持送部４０及び中間支持送部５０との間で複数の炭素繊維Ｃを撚り合わせ、この撚り合わされた炭素繊維束Ｂに粘性流体を形成して乾燥させる。この炭素繊維撚糸装置１０では、炭素繊維Ｃを送り出す供給部２０とその下流の第１支持送部３０とがともに撚糸方向Ｒに回転することにより、その下流の撚糸方向には回転しない第２支持送部４０及び中間支持送部５０との間で炭素繊維束Ｂの撚糸度を制御できる。撚糸度が制御された炭素繊維束は、第２支持送部４０との間に設けられた、塗布部６０と乾燥部７０とを通過する際に、粘性流体が塗布、乾燥され、固定化されるので撚糸がほどけることを防止できる。この炭素繊維撚糸装置１０は、柔軟性を有する炭素繊維Ｃを撚り合わせて固定化することができるため、直径を制御した炭素繊維束を容易に製造することができる。

また、第１支持送部３０では、炭素繊維束Ｂを撚糸方向Ｒに固定すると共に、連続的に送出方向Ａへ送り出すことができ、製造効率がよく好ましい。なお、第２支持送部４０及び中間支持送部５０においても同様である。更に、第１支持送部３０は、供給部２０に配設された支持部材２４に固定され、供給部２０と第共に撚糸方向Ｒに回転するため、第１支持送部３０を回転させる構成を別に設ける必要がなく、装置構成を簡素化することができる。更にまた、第１支持送部３０と第２支持送部４０との間に中間支持送部５０が配設されているため、第１支持送部３０と中間支持送部５０との間で撚糸された炭素繊維束Ｂを第２支持送部４０まで送り出すことができ、撚糸の効率がよい。そして、塗布部６０及び乾燥部７０は、中間支持送部５０と第２支持送部４０との間に配設されているため、これらに固定された状態で炭素繊維束Ｂに粘性流体を形成、固化することができ、撚糸状態で炭素繊維束Ｂを固定しやすい。

また、塗布部６０は、テーパ面６３を有する導入孔６２と、炭素繊維束Ｂの送出方向Ａに向かって傾斜して配設され粘性流体を炭素繊維束Ｂへ吐出する吐出孔６５と、炭素繊維束Ｂが送出される通過孔６６とが形成されたノズルブロック６１を有する。この塗布部６０では、導入孔６２及び通過孔６６を通過する際に、より均一な厚さの粘性流体を炭素繊維束Ｂ上に形成することができる。更に、乾燥部７０は、炭素繊維束Ｂの送出方向Ａに向かって傾斜して配設され加熱エアを炭素繊維束Ｂへ吐出するエアヒータ７１，７３と、加熱エアを受けた炭素繊維束Ｂの温度を測定する温度測定部７２，７４とを有するため、加熱エアによって、炭素繊維束Ｂを連続的に乾燥することができる。更にまた、炭素繊維撚糸装置１０は、乾燥部７０で乾燥された炭素繊維束Ｂを巻き取る巻取り部８０を備えるため、粘性流体を形成した炭素繊維束Ｂを巻取りローラ８１ごとに管理することができる。そして、巻取り部８０は、炭素繊維束Ｂを巻き取る巻取りローラ８１と、巻取りローラ８１を取り外し可能に軸支する軸支固定部８３と、巻取りローラ８１の回転軸方向に巻取りローラ８１を揺動させる揺動部８６とを有する。この巻取り部８０では、揺動部８６により、炭素繊維束Ｂを均一な状態で巻取りローラ８１に巻き取ることができ、更に軸支固定部８３により、巻取りローラ８１を装着、取り外ししやすい。

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、第１支持送部３０、第２支持送部４０及び中間支持送部５０は、支持ローラ及びスライド部を有し、撚糸方向Ｒへの回転を固定しつつ送出方向Ａへ連続的に送り出し可能なものとしたが、特にこれに限定されない。例えば、第１支持送部３０、第２支持送部４０及び中間支持送部５０のうち１以上は、炭素繊維束Ｂを挟持して固定する固定部が送出方向Ａに沿ってピストン移動するものとし、炭素繊維束Ｂを断続的に支持、送り出すものとしてもよい。この構成では、連続的な炭素繊維束Ｂの送り出しには劣るが、撚糸した炭素繊維束Ｂを支持、固定及び送り出すことはできる。

上述した実施形態では、第１支持送部３０は、支持部材２４により供給部２０に固定されているものとしたが、供給部２０とは別の構成により撚糸方向Ｒに回転されるものとしてもよい。この構成では、第１支持送部３０を回転させる構成が新たに必要となるが、炭素繊維束Ｂを撚糸することはできる。

上述した実施形態では、中間支持送部５０を有するものとしたが、これを省略してもよい。この構成によっても、第１支持送部３０と第２支持送部４０との間で炭素繊維束Ｂを撚糸し、固定することはできる。

上述した実施形態では、塗布部６０は、４方向にシリンジ６４を有するノズルブロック６１を有するものとしたが、特にこれに限定されず、シリンジの個数は任意である。また、導入孔６２はテーパ面６３を有し、比較的大きな空間を有するものとしたが、特にこれに限定されない。また、シリンジ６４が傾斜して配設されていることや、通過孔６６が導入孔６２の逆のテーパ面を有するものとしたが、これらと異なる構成としてもよい。

上述した実施形態では、結着材を炭素繊維束Ｂに形成する塗布部６０及び乾燥部７０を備えるものとしたが、特にこれに限定されず、これに加えて、又はこれに代えて、炭素繊維束Ｂの表面上に分離膜１７を形成する塗布部６０及び乾燥部７０を備えるものとしてもよいし、電極活物質合材を粘性流体として分離膜１７上に形成する塗布部６０及び乾燥部７０を備えるものとしてもよい。この炭素繊維撚糸装置１０では、分離膜を形成した炭素繊維束Ｂや、二次電池１５を製造することができる。なお、炭素繊維撚糸装置１０は、塗布部６０の塗布材を変更し、炭素繊維束Ｂを供給部２０から巻取り部８０へ送り出す処理を複数回行い、結着材で固定化した炭素繊維束Ｂ、分離膜１７を形成した炭素繊維束Ｂ、及び電極合材層を形成した二次電池１５を順次作製するものとしてもよい。このとき、巻取りローラ８１は、得られる炭素繊維束Ｂに応じた直径を有するものを用いればよい。こうすれば、１つの塗布部６０および乾燥部７０で、二次電池１５まで作製することができる。

上述した実施形態では、乾燥部７０は、加熱ガスを供給して炭素繊維束Ｂ上の粘性流体を乾燥するものとしたが、特にこれに限定されず、赤外線ヒータなどとしてもよい。この構成によっても、炭素繊維束Ｂに形成された粘性流体を乾燥することができる。

上述した実施形態では、巻取り部８０を備え、炭素繊維束Ｂを巻き取るものとしたが、特にこれに限定されず、巻取り部８０を省略してもよい。この場合において、例えば、炭素繊維撚糸装置１０は、炭素繊維束Ｂを所定長さで切断する切断部を備え、所定長さの炭素繊維束Ｂを得るものとしてもよい。例えば、上述したように、塗布部６０及び乾燥部７０で二次電池１５を製造した場合は、巻き取らずに二次電池１５の長さに切断した方が、二次電池構造体１４を製造する上では好ましい。

以下には、上述した炭素繊維撚糸装置１０を具体的に作製した例を実施例として説明する。ここでは、図１～７に示した炭素繊維撚糸装置１０を作製し、炭素繊維束Ｂの撚糸の有無、撚糸度や分離膜形成によるその固定状態などを検討した。

図８は、炭素繊維束の外観写真及び断面写真であり、図８Ａが撚糸せず分離膜を形成しなかった炭素繊維束の外観写真、図８Ｂが図８Ａの断面写真、図８Ｃが低撚糸度及び分離膜を形成しなかった炭素繊維束の外観写真、図８Ｄが図８Ｃの断面写真、図８Ｅが高撚糸度及び分離膜を形成した炭素繊維束の外観写真、図８Ｆが図８Ｅの断面写真である。ここでは、直径７μｍの炭素繊維（日本グラファイトファイバー製ＧＲＡＮＯＣ，ＹＳＨ－４０Ａ－０４Ｓ）を４００本用いた。炭素繊維束の単位長さを１０ｃｍとしたときの、単位長さあたりの巻き回数を撚糸度と規定した。撚糸度０回／１０ｃｍとしたものを実験例１とし（図８Ａ，Ｂ）、撚糸度１回／１０ｃｍ以下としたものを実験例２とし（図８Ｃ，Ｄ）、撚糸度１０回／１０ｃｍとしたものを実験例３とした（図８Ｅ，Ｆ）。粘性流体としては、結着材としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）をＮ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）に１～５質量％溶解させた溶液を用い、炭素繊維束の内部に浸透させ、これを固定化した。乾燥温度は、１００℃とした。図８に示すように、炭素繊維は券回、撚糸により繊維がまとまり、より太い柱状の繊維束となるが、巻回数の制御、券回状態の維持はともに重要であることがわかった。炭素繊維束の撚糸時の撚糸度は１０～２０回／１０ｃｍの範囲が有効であるものと推察された。撚糸度が小さいと炭素繊維束がバラバラとなり（図８Ｃ，Ｄ）、多いと外周部の繊維が切断し繊維束として量が小さくなった。炭素繊維の券回、撚糸を行なうと同時に結着材で固定化した炭素繊維束は、図８Ｅ，Ｆに示すように、繊維のまとまりがよく繊維束の密度も大きかった。また、券回した状態で一本の柱状にまとまっており、繊維がバラバラになることもなかった。炭素繊維撚糸装置１０を用いると、炭素繊維束を容易に撚糸し、固定化した炭素繊維束を製造することができることがわかった。

本開示は、柱状の炭素繊維部材を用いる二次電池の技術分野に利用可能である。

１０炭素繊維撚糸装置、１１第１筐体、１２第２筐体、１３天板、１４二次電池構造体、１５二次電池、１６負極、１７分離膜、１８正極、１９制御部、２０供給部、２１供給ローラ、２２ローラ支持部、２３回転駆動部、２４支持部材、３０第１支持送部、３１第１支持ローラ、３２凸ローラ、３３凹ローラ、３４回転軸、３５回転軸、３６第１スライド部、３７第１スライド部、４０第２支持送部、４１第２支持ローラ、４２第２スライド部、５０中間支持送部、５１中間支持ローラ、５２中間スライド部、６０塗布部、６１ノズルブロック、６２導入孔、６３テーパ面、６４シリンジ、６５吐出孔、６６通過孔、６７プレート、７０乾燥部、７１エアヒータ、７２温度測定部、７３エアヒータ、７４温度測定部、７５エア冷却部、７６カバー部材、８０巻取り部、８１巻取りローラ、８２巻き取り軸、８３軸支固定部、８４支持板、８５固定部材、８６揺動部、８７ホイール、８８巻取り駆動部、８９揺動駆動部、Ａ送出方向、Ｂ炭素繊維束、Ｃ炭素繊維、Ｒ撚糸方向。

Claims

複数の炭素繊維を送出方向に送出し該送出方向を軸方向とする撚糸方向に回転可能な供給部と、
前記撚糸方向に回転すると共に前記送出方向に連続的又は断続的に前記炭素繊維を送出するよう該炭素繊維を支持する第１支持送部と、
前記第１支持送部の下流側に配設され前記撚糸された炭素繊維束を前記撚糸方向に回転させずに前記送出方向に連続的又は断続的に送出するよう該炭素繊維束を支持する第２支持送部と、
前記第１支持送部の下流側に配設され前記撚糸された炭素繊維束に粘性流体を形成する塗布部と、
前記炭素繊維束に形成された粘性流体を乾燥する乾燥部と、
を備えた炭素繊維撚糸装置。
前記第１支持送部は、前記送出方向に回転し前記炭素繊維を挟持する第１支持ローラと、前記第１支持ローラを回転可能に軸支し挟持位置と開放位置との間で移動させる第１スライド部とを有する、請求項１に記載の炭素繊維撚糸装置。
前記第２支持送部は、前記送出方向に回転し前記炭素繊維束を挟持する第２支持ローラと、前記第２支持ローラを回転可能に軸支し挟持位置と開放位置との間で移動させる第２スライド部とを有する、請求項１又は２に記載の炭素繊維撚糸装置。
前記第１支持送部は、前記供給部に配設された支持部材に固定され該供給部と共に前記撚糸方向に回転する、請求項１～３のいずれか１項に記載の炭素繊維撚糸装置。
請求項１～４のいずれか１項に記載の炭素繊維撚糸装置であって、
前記第１支持送部と前記第２支持送部との間に配設され前記撚糸方向には前記炭素繊維束を回転させずに前記送出方向に連続的又は断続的に送出するよう該炭素繊維束を支持する中間支持送部、を備えた請求項１～４のいずれか１項に記載の炭素繊維撚糸装置。
前記中間支持送部は、前記送出方向に回転し前記炭素繊維束を挟持する中間支持ローラと、前記中間支持ローラを回転可能に軸支し挟持位置と開放位置との間で移動させる中間スライド部とを有する、請求項５に記載の炭素繊維撚糸装置。
前記塗布部及び前記乾燥部は、前記中間支持送部と前記第２支持送部との間に配設されている、請求項５又は６に記載の炭素繊維撚糸装置。
前記塗布部は、前記炭素繊維束を導入するテーパ面を有する導入孔と、前記炭素繊維束の送出方向に向かって傾斜して配設され前記粘性流体を前記炭素繊維束へ吐出する吐出孔と、前記炭素繊維束が送出される通過孔とが形成されたノズルブロックを有する、請求項１～７のいずれか１項に記載の炭素繊維撚糸装置。
前記炭素繊維束は、二次電池の電極材料であり、
前記塗布部は、前記炭素繊維を結着する結着材を前記撚糸された炭素繊維束に形成する、請求項１～８のいずれか１項に記載の炭素繊維撚糸装置。
前記炭素繊維束は、二次電池の電極材料であり、
前記塗布部は、イオン伝導性及び絶縁性を有し分離膜となる樹脂を前記撚糸された炭素繊維束上に形成する、請求項１～９のいずれか１項に記載の炭素繊維撚糸装置。
前記塗布部は、前記分離膜が形成された炭素繊維束の該分離膜上に、前記粘性流体としての電極活物質を含む電極合材層を更に形成する、請求項１０に記載の炭素繊維撚糸装置。
前記乾燥部は、前記炭素繊維束の送出方向に向かって傾斜して配設され加熱ガスを前記炭素繊維束へ吐出するガスヒータと、前記加熱ガスを受けた前記炭素繊維束の温度を測定する温度測定部とを有する、請求項１～１１のいずれか１項に記載の炭素繊維撚糸装置。
請求項１～１２のいずれか１項に記載の炭素繊維撚糸装置であって、
前記乾燥部で乾燥された炭素繊維束を巻き取る巻取り部、を備えた炭素繊維撚糸装置。
前記巻取り部は、前記炭素繊維束を巻き取る巻取りローラと、前記巻取りローラを取り外し可能に軸支する軸支固定部と、前記巻取りローラを該巻取りローラの回転軸方向に揺動させる揺動部とを有する、請求項１３に記載の炭素繊維撚糸装置。